Quando observamos as galáxias, os aglomerados de galáxias ou o fundo cósmico de micro-ondas, uma evidência salta aos olhos dos cosmólogos: as leis da gravitação não são suficientes para explicar as observações. No entanto, a matéria visível, aquela que compõe as estrelas, os planetas e nós mesmos, representa apenas 4,9% do universo. Os 95,1% restantes são compostos por duas entidades invisíveis e misteriosas: a matéria escura e a energia escura.
Componente | Proporção | Natureza física | Método de detecção |
---|---|---|---|
Matéria bariônica | 4,9% | Átomos, plasma, poeira | Emissão, absorção, luz visível, raios X |
Matéria escura | 26,8% | Desconhecida (WIMPs? áxions? neutrinos?) | Efeitos gravitacionais (lentidão das velocidades de rotação galáctica, lentes gravitacionais) |
Energia escura | 68,3% | Desconhecida (vácuo quântico? constante cosmológica?) | Aceleração da expansão cósmica, supernovas Ia |
Fonte: Missão ESA Planck, Resultados 2018.
Deduzi-se da rotação galáctica e da dinâmica dos aglomerados que a matéria escura representa cerca de 26,8% da energia total do universo. Ela não emite, absorve nem reflete luz. Sua presença é traída apenas por seus efeitos gravitacionais, como a lentidão anormal da diminuição da velocidade das estrelas com a distância ao centro galáctico. Várias hipóteses foram propostas: neutrinos massivos, áxions, WIMPs (partículas massivas de interação fraca), mas nenhum candidato foi detectado até hoje.
A ausência de detecção direta da matéria escura estimula uma diversidade de modelos teóricos, que vão desde partículas supersimétricas até extensões do campo gravitacional. Essas hipóteses buscam explicar suas propriedades: gravitacional mas não eletromagnética, massiva mas não visível.
Candidato | Natureza | Origem teórica | Status experimental |
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WIMPs | Partículas massivas fracamente interativas | Supersimetria (SUSY), neutralinos | Não detectadas (XENONnT, LUX-ZEPLIN) |
Áxions | Partículas muito leves, pseudoescalares | Teoria de Peccei-Quinn, QCD | Pesquisas em andamento (ADMX, MADMAX) |
Neutrinos estéreis | Neutrinos inertes interagindo apenas por gravidade | Extensão do modelo padrão | Não confirmados, mas compatíveis com certas anomalias |
Matéria escura autointerativa (SIDM) | Partículas que se aniquilam ou se dispersam entre si | Modelos de estrutura galáctica | Testes em perfis de densidade de aglomerados |
Matéria escura ultraleve (Fuzzy DM) | Bósons com massa ~\(10^{-22}\) eV | Condensado de Bose-Einstein cosmológico | Efeitos em halos em grande escala |
MACHOs | Objetos astrofísicos compactos não luminosos | Buracos negros, anãs marrons, estrelas mortas | Excluídos para a maioria da matéria escura (microlentes) |
MOND / TeVeS | Modificações da dinâmica newtoniana | Teorias alternativas à matéria escura | Incapacidade de reproduzir as lentes gravitacionais |
Partículas do setor escuro | Partículas interagindo via forças não padrão (ex. fótons escuros) | Extensões do Modelo Padrão, às vezes da teoria das cordas | Interações muito fracas com nosso setor, pesquisas indiretas em andamento |
Buracos negros primordiais (PBH) | Buracos negros formados durante a era inflacionária | Modelos de inflação com flutuações de densidade locais | Microlentes gravitacionais, ondas gravitacionais (LIGO/Virgo) |
Matéria espelho | Réplica do Modelo Padrão em um setor espelho | Inspiração por simetria \(\mathbb{Z}_2\), respeito à paridade | Potencialmente detectável via oscilações de neutrinos ou efeitos térmicos |
Fontes: Bertone & Tait (2018), Colaboração LUX-ZEPLIN (2022), Revisão de Matéria Escura Difusa (2020).
Descoberta indiretamente pelo estudo de supernovas do tipo Ia nos anos 90, a energia escura representaria 68,3% do universo. Ela seria responsável pela aceleração da expansão cósmica, como uma forma de antigravidade cósmica. Modelada pela constante cosmológica \(\Lambda\) nas equações de Einstein, ela desafia nossa compreensão dos campos quânticos e do próprio vácuo. A densidade dessa energia parece permanecer constante ao longo do tempo, o que torna sua origem profundamente enigmática.
A energia escura é um dos maiores mistérios da cosmologia. Vários modelos buscam explicar seu efeito repulsivo sobre a expansão do espaço, seja como uma propriedade intrínseca do vácuo ou como uma manifestação de uma dinâmica mais profunda ou geométrica do universo.
Modelo | Descrição | Componente (\(w\)) | Testes experimentais |
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Constante cosmológica (\(\Lambda\)) | Energia do vácuo, densidade constante | \(w = -1\) | Acordo com dados de Planck, SDSS, SN Ia |
Quintessência | Campo escalar dinâmico com potencial lento | \(-1 < w < -\frac{1}{3}\) | Projetos Euclid, DESI, LSST |
Energia fantasma | Campo de energia negativa | \(w < -1\) | Levaria ao cenário do Big Rip |
k-essência | Campo escalar com cinética não padrão | Variável, depende da dinâmica | Previsões para Euclid e LSST |
Gravidade modificada (f(R), DGP...) | Modificação da relatividade geral em grande escala | Nenhum \(w\) definido (efeito geométrico) | Testes sobre a formação de grandes estruturas |
Retroação cosmológica | Efeito emergente das inhomogeneidades gravitacionais | Nenhum fluido, mas geometria média | Muito difícil de modelar, sem consenso |
Energia escura emergente (Gravidade Entrópica) | Gravidade e aceleração como fenômenos termodinâmicos | Nenhum \(w\) clássico | Teoria especulativa, sem previsões precisas |
Modelos holográficos (HDE) | A energia escura decorre de um princípio holográfico sobre a densidade de informação | \( w \approx -1 \), depende do raio cosmológico | Testes em CMB, formação de estruturas, LSST futuro |
Campos vetoriais escuros | Vetores dinâmicos responsáveis pela aceleração da expansão | \( w(t) \) variável de acordo com o campo | Modelos testáveis por anisotropias do fundo difuso |
Teoria das interações retardadas | O efeito da matéria sobre a geometria do espaço-tempo não é instantâneo | Nenhum fluido, efeito de memória ou retardado da matéria ordinária | Hipótese especulativa, dificilmente testável experimentalmente |
Fontes: Copeland et al. (2006), ESA Euclid, Verlinde (2011) – Gravity as an Emergent Phenomenon.
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